CN104204416A - 密封条及用于设计密封条的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于密封受到压力脉动的燃气涡轮(100)的构件的部分(66和68)的密封条(60)及其构造方法。密封条(60)具有密封面(70)，密封面(70)构造成遵循构件的第一部分(66)的轮廓。密封条(60)还具有压力面(72)，压力面(72)具有相对于密封面(70)的正弦曲线形状。通过将压力面(72)在其第一侧构造成在多个点处接触密封面(70)、将压力面(72)在其第二侧构造成在多个点处接触构件的第二部分(68)，使得压力面(72)构造成防止密封条(60)的局部移动。

Description

密封条及用于设计密封条的方法

技术领域

本发明涉及密封条。

具体而言，本发明涉及密封条的设计，其用于密封燃气涡轮中的构件的部分。当两个构件大致放置成相邻时，密封条配合到形成于构件的两个部分之间的带槽凹口中。各个构件均具有两个部分，低压作用于第一部分，而高压作用于第二部分。密封条在构件的两个部分之间形成大致气密性密封；使第一部分与第二部分分开。更具体而言，本发明涉及设计密封条的方法，其以上文提到的方式用于密封燃气涡轮的热气体区段中的燃气涡轮构件。

背景技术

也称为羽毛密封件的密封条可用于消除布置在彼此附近的两个构件之间的泄漏流。这通过在边缘面中具有带槽凹口的两个构件实现，边缘面大致位于与彼此相对且相邻。密封条通过至少部分地收纳到相邻配合构件的带槽凹口中来密封两个构件之间的间隙，以便跨越构件之间的间隙。美国专利第5,531,457号公开了此类密封条的示例，其用于减小穿过叶片的两个平台之间的间隙的泄漏流。

例如，由于制造公差或因为热膨胀，故配合构件的带槽凹口通常不会完美地对准。如果密封条制造成以便紧密地配合到带槽凹口中，则不完美的带槽凹口对准将导致密封条的高应力负载，这可导致过早失效。

为了克服该问题，密封条可变得比带槽凹口的高度更薄，且正交于密封条长度为柔性。在操作中，穿过密封件的压差由于密封条的柔性而迫使密封条抵靠带槽凹口的一个表面来这样实现密封。当压差较低时，密封条变得更薄，以便增大其条的柔性。为了将薄密封件保持就位，例如，在安装期间，密封条可设有沿密封条长度分散的偏压器件。偏压器件的示例在美国专利第3,836,279号中描述。

在操作期间，密封条受到由燃气涡轮内的各种旋转构件如叶片在它们穿过密封条容纳在其中的旋转和非旋转区域时引起的周期性压力脉动。这些密封条大体上置于构件如转子叶片、转子热屏蔽部或导叶平台和定子中。密封条配合到构件的带槽凹口中，提供了构件的两个部分之间的密封。第一部分面对来自热气体的低压，而第二部分面对在燃气涡轮中循环的高压。

取决于压力脉动的强度和频率，并未抵靠带槽凹口的面而偏压或以其它方式固持的密封条的部分可引起周期性共振，导致密封条的过早疲劳失效。该问题与燃气涡轮的旋转叶片在密封面处引起压力脉动的构件的密封特别相关。

为了克服该问题，一些密封条设计具有沿密封条长度的夹持凸起布置，以抑制由压力脉动引起的破坏。然而，这些夹持凸起通常会磨损，因为这些夹持凸起的相对较小的表面区域与经受高振荡和振动的构件的带槽凹口相接触。因此，所需的是一种密封条设计，其对燃气涡轮的旋转和非旋转构件引起的压力脉动造成的疲劳失效和共振有抵抗力。

发明内容

因此，本发明的技术目的包括设计解决已知技术的前述问题的密封条。

独立权利要求提出了一种密封条及用于设计克服此问题的密封条的方法。有利实施例在从属权利要求中给出。

在该技术目的的范围内，本发明的方面在于提供和设计用于密封燃气涡轮的构件的部分的密封条。密封条布置包括密封面，其构造成遵循构件的第一部分的轮廓。布置还包括压力面，其具有相对于密封面的正弦曲线形状，且压力面构造成防止密封条的局部移动。压力面在其第一侧构造成在多个点处接触密封面，且压力面在其第二侧构造成在多个点处接触构件的第二部分。

在本发明的一个方面中，密封条具有形成密封面的第一层和形成压力面的第二层。

在本发明的另一个方面中，压力面的正弦曲线形状形成凸起，其构造成通过构造成从压力面延伸而防止局部移动，以便抵靠构件的带槽凹口的壁偏压密封面。

在本发明的另一个方面中，密封条构造为对疲劳失效和由燃气涡轮的旋转和非旋转构件引起的压力脉动造成的共振有抵抗力。

在本发明的另一个方面中，确定了构件的各个部分的操作激励频率。此后，密封条的压力面的正弦形状取决于基于密封条预计受到的频率完成的测量或计算来构造。

在本发明的又一个方面中，压力面朝向密封面和构件的第二部分的多个接触点基于计算或测量来确定。

在又一个方面中，正弦曲线形状构造成通过构造成从压力面延伸来防止密封条沿横向方向的局部移动，以便抵靠带槽凹口的壁偏压密封面。

在另一方面，压力面和密封面的宽度相等。因此，压力面可支承密封面，且在插入带槽凹口中时抵靠带槽凹口的壁按压密封面的侧部。

本发明的其它目的和优点将从结合附图的以下描述中变得清楚，在附图中，通过图示和示例的方式公开了本发明的实施例。

附图说明

本发明的其它特性和优点将从由附图中的非限制性示例的方式示出的阻尼器布置的优选但非排他的实施例的描述中更清楚，在附图中：

图1为具有带根据本发明的示例性实施例的密封条的构件的燃气涡轮的一部分的示意性视图；

图2为图1中的区段的放大等距视图，示出了具有根据本发明的实施例的密封条的两个相邻配合构件；

图3为构件如叶片的放大侧视图，示出了根据本发明的示例性实施例的密封条；

图4为构件如转子热屏蔽部的放大侧视图，示出了根据本发明的示例性实施例的另一个密封条；

图5为构件如导叶ID平台的放大侧视图，示出了根据本发明的示例性实施例的密封条；

图6为根据本发明的示例性实施例的构造密封条的方法的流程图；以及

图7为根据本发明的实施例的两个构件之间的密封条布置的放大前视图。

具体实施方式

现在将参照附图来描述本公开内容的优选实施例，其中相似的参考标号始终用于表示各处相似的元件。在以下描述中，出于阐释的目的，阐明了许多细节以便提供本公开内容的彻底理解。然而，可能很明显，本公开内容可在没有这些具体细节的情况下实施。

参看图1，图1示出了与燃烧器10联接的燃气涡轮100的横截面视图。燃气涡轮100为用于发电厂的标准燃气涡轮，其具有联接到燃烧室上的压缩机，燃烧室最终联接到下游的燃气涡轮上。为了简单起见，燃气涡轮100仅呈现出涡轮横截面。燃气涡轮100由多个构件构成，如叶片B1、B2、B3和B4、导叶(内径)ID平台V1、V2、V3和V4，导叶(外径)OD平台Vo1、Vo2、Vo3和Vo4，转子热屏蔽部(RHS)R1、R2和R3和定子S1、S2、S3和S4。这些构件中的一些旋转，例如，叶片，而其它的为非旋转的，例如，定子。在燃气涡轮100的常规操作期间，这些构件中的各个经受由旋转构件引起的很高的压力。因此，这些构件中的各个均需要抵靠彼此且还在构件的两个部分内密封，以防止容纳在仓室(未示出)中的高压介质从燃气涡轮100的更低压热气体失去。为此，密封条(如由在虚圆区域内的线所示)沿周向密封各种旋转和非旋转构件。

使旋转叶片B1-B4穿过非旋转构件如定子S1-S4和导叶V1-V4使这些构件经受压力脉动。因此，这些构件的密封件受到循环的压力脉动。甚至在构件如叶片和转子热屏蔽部内的密封件也面对压力脉动，且经受高压差。例如，叶片的内热表面具有高于这些叶片的外冷表面的压力(从这些叶片附接到轴上的位置)。

如图1中所示的虚圆区域21、22、23、24、31、32、33、34、41、42、43、44、45、46、47、48、51、52和53为燃气涡轮100的示例性区域，其包括可受到压力脉动且经受压差的构件。因此，这些区域适用于实施根据本发明的各种实施例的密封条设计。

区域21、22、23和24为定子构件S1、S2、S3和S4，其经受来自旋转叶片B1、B2、B3和B4的末梢的严重压力脉动。

区域31、32、33和34为叶片B1、B2、B3和B4的区段，在该处，密封条定位成使叶片的两个部分与彼此分开。第一部分为叶片的外/上热表面，而第二部分为叶片的内/下冷表面。第一部分经历低压带，而第二部分经历高压带。由于这两个部分之间的压差很高，故需要密封条避免穿过两个部分的压力流动。此外，这些区域(31-34)中的密封条仍可易于由其较薄且因此柔性的性质引起的压力脉动造成的过早的疲劳失效。

区域41、42、43和44为导叶ID平台V1、V2、V3和V4的内径，在该处，密封条定位成使导叶的两个部分与彼此分开。另外，区域45、46、47和48为密封条定位在该处的导叶OD平台Vo1、Vo2、Vo3和Vo4的外径。出于类似原因，这些区域中的密封条还易于由出于类似原因的压力脉动引起的过早疲劳失效。

区域51、52和53为转子热屏蔽部R1、R2和R3内的区段，其中密封条定位成将转子热屏蔽部的两个部分与彼此分开。

图2为图1中的区段的放大等距视图，示出了具有根据本发明的实施例的密封条的两个相邻配合构件。该实施例中所示的构件为沿周向配合在燃气涡轮100中的许多构件中的两个相邻的导叶ID平台V2、41。在两个导叶ID构件之间延伸的密封条60提供密封构件的两个部分的手段。为了容纳密封条60，各个构件均具有限定邻接构件之间的连结面的边缘面62。各个构件的各个边缘面62均具有与相邻配合的构件的带槽凹口64互补的带槽凹口64，且对准成以便使密封条60能够同时收纳在各个相邻构件的带槽凹口64中，使得收纳的密封条60在两个构件之间延伸。以此方式，密封条60提供构件的两个部分之间的密封，即，第一部分66和第二部分68。第一部分66面对低压介质，且第二部分68面对高压介质。带槽凹口64收纳密封条60的能力还由密封条60的宽度关于各个带槽凹口64的水平深度来限定。

密封条60由两层构成，第一层形成密封面70，且第二层形成压力面72。密封面70构造成遵循构件V2的第一部分66的轮廓(即，朝向第一部分66接触带槽凹口64)，而压力面72具有相对于密封面70的正弦曲线形状(如图2中所示)。在其第一侧(即，顶侧)上的压力面72构造成在多个接触点处接触密封面70，而其第二侧(即，底侧)上的压力面72构造成接触构件V2的第二部分68(即，朝向第二部分68接触带槽凹口64)。密封条构造防止密封条60相对于相邻构件的局部移动。密封条60具有在密封条的远侧端之间延伸的长度，这使其能够提供沿带槽凹口64的长度的密封。

本领域的技术人员将清楚的是，在连同图2阐释的实施例中，仅出于示范性目的，两个导叶ID平台示为两个构件。然而，任何两个构件都可对于此实施方式被采用，如，两个相邻转子热屏蔽部R1或两个相邻定子S1或甚至两个叶片B1。本领域的技术人员还将清楚的是，两个不同类型的构件(如叶片和转子热屏蔽部)也可用于实施本发明。

图3为构件如叶片的放大侧视图，示出了根据本发明的示例性实施例的密封条。密封条60定位在叶片B1的带槽凹口64中，其具有两个部分，第一部分66为朝向叶片翼型件侧的叶片平台，而第二部分68为叶片根部/柄部。在使用中，密封条60提供作用于密封条60上的较高与较低压力介质之间的密封。作用于密封条60的压力面72上的较高压力将密封条60的密封面70按压到构件B1的第一部分66上，即，带槽凹口64的上侧内，其中密封面70为大致平行于压力面72但在密封条60上的与压力面72的相对侧的表面。以此方式，穿过密封条60的压差使其能够密封构件的两个部分66和68。

根据本发明的各种实施例，密封条60的厚度限定在0.2mm到0.8mm之间，具有取决于准确需要的0.1mm的变化。厚度限定为密封条60的尺寸，其中密封面70接触压力面72。当然，厚度小于带槽凹口64的高度，以便插入的密封条60不由相邻配合的构件B1和B2的典型失准压迫。

为了确保密封条60牢固地保持在带槽凹口64中，密封条60的压力面72构造成具有相对于密封面70的正弦曲线形状。正弦波有助于抵靠带槽凹口64的壁(上壁)朝向构件B1的第一部分66偏压密封面70。压力面72在其第一侧在多个接触点处与密封面70接触，而压力面72在其第二侧处朝向构件B1的第二部分68与带槽凹口64的壁(下壁)接触。此外，压力面72在密封条60的远端处密封到密封面72上。这消除了构件的两个部分66和68之间的任何可能泄漏通路。为了密封，可机械地连接的压力面72例如通过点焊而密封到密封面72上。机械连接还用于避免自由端的振动。以此方式，密封条60牢固地保持在带槽凹口64中的离散点处，以便独立于穿过密封条60的压差或密封条60可受到的压力脉动而防止局部移动。

当接触点的表面面积由于正弦波结构而扩大时，其减小了力密度(每单位面积的力)。正弦波形式允许了一些垂直运动，这减小了力密度变化的峰值。因此，密封条60的材料不会塑性变形，且总是在弹性范围中变形。正弦波形式由于其弹簧力而改善了密封面70与构件的第一部分66(热侧)之间的接触点。正弦波还防止了密封条60的诱导振动和过早破坏。该结构还有助于减小在燃气涡轮100的操作期间由密封条60经历的循环偏差。

根据本发明的各种实施例，密封条60由金属构成。密封条60引起共振的频率由密封条60的长度、厚度和材料性质影响。特别重要的材料性质是操作温度下的动态弹性模量。密封条的厚度在0.2mm到0.8mm+/-0.1mm之间，且最优选为在0.3mm到0.5mm+/-0.1mm之间。较厚的密封件使得正弦波刚性更大且更好装备以处理引起的共振。很薄的密封件缺乏持久性，且可能没有足够的刚性来提供局部密封功能。

图4为构件如转子热屏蔽部的放大侧视图，示出了根据本发明的示例性实施例的密封条60。在该实施例中，转子热屏蔽部R1将密封条60收纳在转子热屏蔽部R1的带槽凹口64中，其具有两个部分，第一部分66朝向导叶ID平台(经受热气体)经历低压，而第二部分68朝向下端(经受冷气体)经历高压。在使用中，密封条60提供作用于密封条60上的较高压力介质与较低压力介质之间的密封。作用于密封条60的压力面72上的较高压力将密封条60的密封面70按压到构件R1的第一部分66上，即，带槽凹口64的上侧内，其中密封面70为大致平行于压力面72但在密封条60上的与压力面72的相对侧的表面。以此方式，穿过密封条60的压差使其能够密封构件R1的两个部分66和68。

图5为构件如导叶ID平台的放大侧视图，示出了根据本发明的示例性实施例的密封条60。在该实施例中，导叶ID平台V1将密封条60收纳在导叶ID平台的带槽凹口64中，其具有两个部分，第一部分66朝向(经受热气体)经历低压的导叶ID平台的外径，而第二部分68朝向导叶ID平台的内径。在使用中，密封条60提供了导叶ID平台与转子热屏蔽部之间的热气体区域之间的密封。压力面72的正弦波形的弹簧负载抵靠密封面70按压密封条60，从而将密封条60保持就位。

图6为设计根据本发明的实施例的密封条的方法的流程图。用于密封燃气涡轮100的构件的部分的密封条60通过向密封条60提供(步骤602处)密封面来设计，该密封面构造成遵循构件的第一部分的轮廓。此外，密封条60设有(步骤604处)压力面，压力面具有相对于密封面的正弦曲线形状。最后，在步骤606处，密封条60的压力面构造成通过将压力面在其第一侧来构造成在多个点处接触密封面，以及通过将压力面在其第二侧构造成在多个点处接触构件的第二部分来防止密封条60的局部移动。为了构造压力面，使用已知技术来确定构件的各个部分的操作激励频率。此后，计算/测量密封条60预计受到的频率。基于该曲率构造正弦曲线形状，且选择压力面接触密封面和构件的第二部分的接触点。

本领域的技术人员将清楚的是，迄今描述的密封条布置已经沿其径向轴线定位在构件中。然而，这些密封件还可用于沿其周向轴线密封两个构件。图7为根据本发明的实施例的两个构件之间的密封条布置的放大前视图。在该实施例中，两个相邻转子热屏蔽部(或相邻叶片)经由密封条60连接，密封条60穿过两个转子热屏蔽部R1的带槽凹口64收纳。转子热屏蔽部的带槽凹口64具有两个部分，第一部分66朝向转子热屏蔽部的外径或导叶ID平台(经受热气体)，而第二部分68朝向下端(经受冷气体)。在使用中，密封条60提供作用于密封条60上的较高压力介质与较低压力介质之间的密封。作用于密封条60的压力面72上的较高压力将密封条60的密封面70按压到构件R1的第一部分66上，即，带槽凹口64的上侧内，其中密封面70为大致平行于压力面72但在密封条60上的与压力面72的相对侧的表面。以此方式，穿过密封条60的压差使其能够密封构件的两个部分66和68。

如本领域的技术人员认识到的那样，用于给定应用的优选重新够构造取决于许多因素，不限于密封件共振性能，其中不同的情形可通过不同密封条60重新构造方法来最佳地适合，在重新构造方法中，各种示例性实施例提供了有用的备选方案。

在另一个示例性实施例中，在计算中使用的密封条60的已知性质包括密封条60的长度、厚度、宽度和材料性质，如，动态弹性模量。

尽管已经参照燃气涡轮100描述了示例性实施例，但本发明的实施例可用于存在共振引起的密封条的过早失效的可能的其它应用。

此外，尽管以构想为最实用的示例性实施例的内容示出和描述了本公开内容，但本领域的技术人员将认识到的是，可在本公开内容的范围内产生偏离，其不限于本文描述的细节，而是将根据所附权利要求的完整范围，以便包含任何和所有等同的装置和设备。

零件清单

100 燃气涡轮

10 燃烧器

S1、S2、S3和S4 定子

21、22、23和24 定子中的密封条

B1、B2、B3和B4 叶片

31、32、33和34 叶片中的密封条

V1、V2、V3和V4 导叶ID平台(内径)

41、42、43和44 导叶ID平台(内径)中的密封条

Vo1、Vo2、Vo3和Vo4 导叶OD平台(外径)

45、46、47和48 导叶OD平台(外径)中的密封条

R1、R2和R3 转子热屏蔽部

51、52和53 转子热屏蔽部中的密封条

62 边缘面

64 带槽凹口

66 构件的第一部分

68 构件的第二部分

70 密封条的密封面

72 密封条的压力面。

Claims (12)

1. 一种密封条(60)，用于密封燃气涡轮的构件的部分，所述密封条布置包括：

密封面(70)，所述密封面(70)构造成遵循所述构件的第一部分(66)的轮廓；以及

压力面(72)，所述压力面(72)具有相对于所述密封面(70)的正弦曲线形状，所述压力面(72)构造成防止所述密封条的局部移动；

其中，所述压力面(72)在其第一侧构造成在多个点处接触所述密封面(70)，且所述压力面(72)在其第二侧构造成在多个点处接触所述构件的第二部分(68)。

2. 根据权利要求1所述的密封条(60)，其特征在于，所述密封条(60)构造成收纳在所述构件的一个或多个带槽凹口(64)中，使得所述密封条(60)在所述构件的两个部分之间延伸，以便提供作用于所述构件的所述第一部分(66)上的高压与作用于所述构件的所述第二部分(68)上的低压之间的密封。

3. 根据权利要求1所述的密封条(60)，其特征在于，所述密封条(60)具有在所述密封条(60)的第一远端与第二远端之间延伸的长度。

4. 根据权利要求1所述的密封条(60)，其特征在于，所述压力面(72)在所述密封条的远端处密封到所述密封面(70)上。

5. 根据权利要求1所述的密封条(60)，其特征在于，所述密封条(60)在所述压力面(72)接触所述密封面(70)的多个点处具有0.2mm到0.8mm+/-0.1mm之间的厚度。

6. 根据权利要求1所述的密封条(60)，其特征在于，所述压力面(72)的正弦曲线形状形成凸起，所述凸起构造成：通过构造成从所述压力面(72)延伸而防止局部移动，以便抵靠所述构件的带槽凹口(64)的壁来偏压所述密封面(70)。

7. 根据权利要求1所述的密封条(60)，其特征在于，所述密封条(60)具有形成所述密封面(70)的第一层和形成所述压力面(72)的第二层。

8. 根据权利要求7所述的密封条(60)，其特征在于，所述第二层具有相对于具有直线形状的所述第一层的正弦曲线形状。

9. 一种用于设计密封条的方法，所述密封条用于密封燃气涡轮的构件的部分，所述方法包括：

向所述密封条提供：

(602)密封面(70)，所述密封面(70)构造成遵循所述构件的第一部分(66)的轮廓；以及

(604)压力面(72)，所述压力面(72)具有相对于所述密封面(70)的正弦曲线形状；

通过将所述压力面(72)在其第一侧构造成在多个点处接触所述密封面(70)且通过将所述压力面(72)在其第二侧构造成在多个点处接触所述构件的第二部分(68)，从而构造(606)所述压力面(72)以防止所述密封条(60)的局部移动。

10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定所述构件的各个部分的操作激励频率。

11. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括取决于基于所述密封条(60)预计受到的频率完成的测量和计算中的至少一者来构造所述压力面(72)的正弦形状。

12. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，朝向所述密封面(70)和所述构件的所述第二部分(68)的所述压力面(72)的多个接触点基于计算和测量中的至少一者来确定。